基于labview的心电处理系统软件设计论文

基于labview的心电处理系统软件设计论文内容摘要：

了系统开发的速度。 系统总体设计 基于虚拟仪器的心电采集处理系统的总体设计框图如图 21 所示。 . 被测对象心 电 电 极放 大 、 滤波 、 模 数 转换 等 电 路数 据 采 集分 析 处 理 、显 示 结 果U S B 接 口硬 件 部 分（ 本 文 主 要 工 作 ）软 件 部 分 图 21 基于虚拟仪器的心电采集处理系统总体结构框图 通过心电电极将被测对象的微弱心电信号引入系统中，经过放大、滤波、模数转换后通过 USB 接口送入计算机进行分析处理 [7]。 软件系统基于 LabVIEW 平台进行开发，主要包括数据采集和分析处理两大部分。 本文主要工作内容为其中的分析处理部分。 . 心电信号预处理研究 引言 微弱的心电信 号容易受到来自人体内外的多种干扰，其特征被淹没在复杂的信号之中，为了有效地提取心电信号，抑制噪声，就有必要对其进行预处理。 生物医学信号处理是近年来迅速发展的数字信号处理技术的一个重要的应用方面，正是由于数字信号处理技术和生物医学工程的紧密结合，才使得我们在生物医学信号特征的检测、提取及临床应用上有了新的手段，因而也帮助我们加深了对人体自身的认识。 数字信号处理技术作为一门新兴学科，由于技术的先进性和应用的广泛性，越来越显示出其强大的生命力。 由于数字信号处理的对象是数字信号，处理的方式是数值运算的方式，使它相对于模拟信号处理具有许多优点，归纳起来有以下优点： 1) 灵活性 2) 高精度和高稳定性 3) 对数字信号可以存储、运算，系统可以获得较高性能指标 4) 可以实现多维信号处理 随着数字信号处理技术的发展，数字滤波器已应用于许多领域。 它不仅能实现模拟滤波器的功能，而且在某些方面其性能要优于模拟滤波器。 尤其是模拟滤波器的相频特性不容易得到保证，其良好的幅频特性是以牺牲相频特性得到的，而且模拟滤波器本身还会引入一些电噪声。 数字滤波器可以避免模拟滤波器所固有的这些缺点，而且在设计任意的幅频特性的同时，还可以保证精 确严格的线性相位特性。 数字滤波器主要优点归纳如下： 1) 它没有漂移； 2) 它能处理低频信号； 3) 频率响应特性可做成极接近于理想的特性； 4) 它可以做成没有插入损耗； . 5) 可以有线性相位特性； 6) 可相当简单地获得自适应滤波； 7) 滤波器的设计者可以控制数字字长，可以精确地控制滤波器的精度； 8) 一般来说，比硬件的价格较为低廉，供应量充足。 鉴于数字滤波器的这些优点，我们在本论文设计的系统中利用数字滤波器的来对心电信号进行预处理。 心电信号中的噪声来源 人体心电信号很微弱，信噪比较低 ，一般正常的心电信号在 到 100Hz频率范围内，在采集心电信号时，由于受仪器、人体等方面的影响，所采集的信号常常存在以下几种干扰： 呼吸和运动所产生的基线漂移 在人体运动的情况下，电极和皮肤接触压力有变化并使人体组织液、导电膏中的离子浓度发生变化导致电极阻抗产生很大的变化，同时造成电极极化电压的不等，这种变化相对于微弱的生物电信号来说，在放大器输出端产生极大的干扰。 另外，由于呼吸的加剧导致电极松动和移位而带来一种不稳定的干扰。 因此在系统输入端依赖于输入阻抗的输入电压将产生变化，从而导 致 ECG 基线漂移以及幅值随呼吸产生波动。 呼吸引起的基线漂移可以看成是一个以呼吸的频率加入 ECG 信号的窦性成分。 这个正弦成分的幅度和频率是变化的。 呼吸所引起的ECG 信号的幅度的变化可以达到 15％基线漂移的频率约是从 到 ，如图 31 所示。 图 31 基线漂移示意图 . 工频干扰 工频干扰是由电力系统引起的一种干扰，它是由 50Hz 及其谐波构成的一种干扰，其幅值成份在 ECG 峰 峰幅值的 050％范围内变化，如图 32 所示，照明设备、各种电子仪器设备等都是这一类型的干扰源，导线的移动也会产 生一些峰值，或在于燥气候下，如果皮肤是干燥的，衣服、皮肤、电极和导线彼此摩擦时会产生静电，这种静电放电也会产生一些峰值。 工频干扰在心电信号的频带范围内，因此它是心电信号检测与处理过程中必须考虑的一种干扰。 图 32 工频干扰示意 图 肌电干扰 肌肉伸缩会产生微伏级的电势，它的幅值大约是 ECG 峰峰值的 10％，维持时间大约是 50 毫秒，肌电的频率范围非常广，可以从直流到 10000Hz。 如图 33所示。 在运动时肌电会大大的增强，尤其对于运动心电信号，由于测试中受试者身体各部位都有不同程度的运动，信号的形态 随着运动负荷的增强而动态地发生变化，使得所记录的信号中可能混入不同程度的干扰噪声，其信号质量是相当糟糕的。 图 33 肌电干扰示意图 . 电极接触噪声 电极接触噪声是由于电极和皮肤接触不良或是被测对象和测量系统脱离引起的瞬态干扰 (见图 34)。 这种脱离在诸如运动和振荡时有可能发生，可以是永久的或者是间断性的。 电极接触噪声可以看作是一个随机发生的快速基线改变，这种改变可能只发生一次，这种情况只产生一个阶跃干扰，也可能快速发生好几次。 该噪声信号维持时间大约 1 秒，幅值可达到放大器最大输出。 图 34 电极接触噪声示意图 电子设备产生的高频仪器噪声 外科手术中用的器具的高频电流会完全改变 ECG 信号。 它的幅值非常大，如果 ECG信号的采样频率在 2501000Hz之间，它的频率大约在 100KHz到 1MHz之间。 它的幅值约是 ECG 峰 峰值的 200％，维持时间为 110 秒。 心电信号去噪 心电信号的能量主要集中在 ，其中 QRS 复合波的能量大部分集中在 340Hz， P 波和 T 波的能量则位于。 由此可见噪声信号基本覆盖了有用的心电信号的全频率范围。 因此，对心电信号进行预处理，提高心电信号的信噪比是所有心电自动分析仪器必须首先要解决的问题。 剔除心电信号中的干扰一般从硬件电路优化设计和软件数字滤波器的设计两个方面入手。 计算机软件技术和数字信号处理技术的发展，使得设计高精度、高可靠性、简洁灵活的数字滤波器成为现实。 通过软件来滤除干扰的方式得到了人们极大的关注，并已逐渐显示出 替代硬件化模拟滤波器的趋势。 . 滤除工频干扰和高频肌电噪声 1) 平滑滤波 平滑滤波的差分方程如下：   10 )(1)( mi inxmny (31) 其中 x(n)为心电原始信号， y(n )为滤波输出的信号， m 为平滑滤波数据点数。 该平滑滤波器的滤波效果如图 35 (b)所示。 平滑滤波的优点是算法较简单，处理速度快，但是从其幅频响应（图 36(a)）可以看出，平滑滤波实际上是 具有低通特性的滤波器，通频带较窄，对心电信号的主要波形 QRS 波有较大的削峰，信号衰减很大，一般无法满足心电诊断的要求。 图 35 平滑滤波器与 50HzFIR 陷波器滤波效果比较 . 图 36 平滑滤波器与 50HzFIR 陷波器幅频特性比较 2) 利用简单整系数滤波器消除工频干扰与基线漂移 利用极点和零点抵消技术，可以设计出简单整系数滤波器，实际上它是利用了 IIR 滤波器的递归特性结构实现 FIR 滤波器，但是由于其系数为整数，计算量小，又具有严格的线性相位特性，因而具有较好的实用价值。 为了得到一个带阻特性的滤除工 频干扰的滤波器，可以从一个全通网络中减去一个具有一定延迟和增益的线性相位带通网络而得到，实现方法如图 37所示。 图 37 滤除工频干扰的带阻滤波器实现框图 心电信号中除了 50Hz 工频干扰外，往往还有低于 的基线漂移，因而这里采用了具有梳状带通滤波特性的滤波器，其传递函数和频率响应为： . nPMnBP ZZKZH )11(1)(  (32 ) nwPMjnnnjwBP ewPwMKeH22s i n2s i n1)(  (33) 式中ffP s， sf 为采样频率，本系统中为 1000Hz， f 为工频，这里为 50Hz，因而 20P ， PMK ， Mn和 决定了滤波器的阻带带宽，由于没有解析式计算Mn， 和 阻 带 带 宽 的 关 系 ， 因 而 通 过 实 验 ， 本 系 统 选 取162320  KnM ，这样， ，由此计算得到滤波器的频率响应为： 2203202 )11(161)(  ZZZH BP (34) wjnnjwBP ewweH 3002 10s i n 160s i n161)(  (35) 该带通滤波器在时域上的差分方程为： )40()20(2)640()320(2)()(  nynynxnxnxny (36) 该滤波器具有 300 的延迟，因而全通网络也作一定的延迟，这样带阻滤波器的 传递函数为： 2203202300 )11(161)(   ZZZZH BS (37) )10s i n 160s i n16 11()( 2300 wweeH nnwjjwBS   (38) 该带阻滤波器在时域上的差分方程为： 256 )()300()( nynxnw  (39) 该滤波器的幅频和相频响应如图 38 所示。 . 图 38 简单整系数带阻滤波器的频率响应 使用简单整系 数滤波器减少了计算量，有利于实时处理，但是它具有一定的滤波延时，并且对于采样频率有一定的限制，另外考虑到电网频率的波动，阻带的带宽不宜太窄。 利用该滤波器对于带有工频干。